VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG EINER BREITBANDLAMBDASONDE

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Polarisation einer

Pumpzelle und/oder einer Nernstzelle einer Lambdasonde zur Diagnose der

Breitband-Lambdasonde.

Die Ausgangssignale von Breitband-Lambdasonden werden durch eine externe Beschaltung ausgewertet, die zusätzlich dazu dient, die Betriebsparameter der Breitband-Lambdasonde einzustellen und zu überwachen sowie die Kabelverbindungen zu überwachen. Hierbei treten sowohl an der Nernstzelle als auch an der Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde Polarisationsspannungen auf, die bei der Einstellung der Pumpspannung und der Auswertung der Ausgangssignale

berücksichtigt werden müssen. Für die Polarisationsspannungen lassen sich zwar theoretische Werte für die unterschiedlichen Typen von Breitband-Lambdasonden festlegen, die realen Werte weichen von diesen jedoch durch Fertigungsstreuungen und Alterungseffekte an der Sonde zum Teil erheblich ab.

In der Schrift DE 10 2008 001697 A1 der Anmelderin wird eine verbesserte Beschaltung beschrieben, die es erlaubt, zusätzlich zu dem Betrieb des Abgassensors

Informationen über den Betriebszustand der dort als Abgassensor verwendeten Breitbandlambdasonde zu erfassen, zu speichern und über eine Digitalschnittstelle an eine übergeordnete Motorsteuerung weiterzugeben. Diese Anordnung ermöglicht eine Diagnose der Kabelverbindungen zwischen der Beschaltung und der Breitbandlambdasonde auf Kurzschluss und Unterbrechung sowie auf Einhaltung der an den Anschlüssen zulässigen Spannungen. Die Betriebsbereitschaft der Abgassonde kann detektiert werden und deren Elektrodenpolarisation und die Alterung können kontinuierlich überwacht werden. Zur Durchführung dieser Messungen und zur Einstellung der verschiedenen Betriebszustände wird die Breitbandlambdasonde in aufeinander folgenden Schaltzuständen der Steuerelektronik unterschiedlich elektrisch beschaltet und entsprechend unterschiedlich elektrisch beaufschlagt. Dabei kann es zu einer Beeinflussung von Messungen durch vorherige Schaltzustände kommen.

Beispielhaft kann ein Schaltzustand zu einer unerwünschten Polarisation einer Nernstzelle der Breitbandlambdasonde führen, die in einem nachfolgenden

Schaltzustand zu einer Verfälschung des Messwerts der Nernstspannung an der Nernstzelle führt.

In der Schrift DE 102010000663A1 der Anmelderin wird eine Vorrichtung zum Betrieb einer Breitband-Lambdasonde im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine und zur Erfassung von Informationen über den Betriebszustand der Breitband-Lambdasonde beschrieben. Die Vorrichtung ermöglichen eine Diagnose von Kabelverbindungen zwischen der Elektronik zur Steuerung und Auswertung der Signale der Breitband- Lambdasonde auf Unterbrechung und Kurzschluss. Weiterhin ermöglicht die

Vorrichtung eine Anpassung einer Umladekorrektur wie sie aufgrund von Kapazitäten zwischen Zuleitungen und von Entstörmaßnahmen erforderlich sein kann.

Nach dem Stand der Technik ist eine Bestimmung der Polarisation einer Breitband- Lambdasonde im laufenden Betrieb bisher nur sehr eingeschränkt möglich. Bedingt durch Alterungseffekte an den Abgassensoren wäre eine solche Bestimmung zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine jedoch vorteilhaft.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine Diagnose und Berücksichtigung einer Polarisationsspannung eines Sensorelements, insbesondere einer Pumpzelle und einer Nernstzelle in einer Breitband-Lambdasonde, im laufenden Betrieb ermöglicht. Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Pumpzelle und/oder die Nernstzelle mit einem Spannungs- oder Stromimpuls beaufschlagt wird und dass in einem zweiten Verfahrensschritt eine Spannung an der Pumpzelle und/oder der Nernstzelle oder eine mit der Polarisation in Zusammenhang stehende Größe oder deren zeitlicher Verlauf bestimmt und als Maß für die

Polarisation verwendet wird und dass die Funktion der Breitband-Lambdasonde über die bestimmte Polarisation überwacht wird. Die Bestimmung der Polarisation kann als einmalig oder mehrmalig ausgeführte Spannungsmessung oder durch die Bestimmung der Wirkung der Polarisation in einer zugehörigen Steuerung, wie einem

Pumpstromregler einer Motorsteuerung, erfolgen. Die mit der Polarisation in

Zusammenhang stehende Größe kann die Reaktion des Pumpstromreglers sein. Die Spannungsmessung kann während einer Phase mit gleichzeitiger Beaufschlagung mit dem Strompuls oder in einer Pulspause erfolgen. Für Nernst- und Pumpzelle kann die Polarisation für Diagnosezwecke genutzt werden. Die Bestimmung der Polarisation der Pumpzelle kann über eine Ergänzung der Rechenvorschriften in dem zugeordneten Steuergerät zur Verbesserung der Genauigkeit des Lambdasignals verwendet werden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in dem ersten Verfahrensschritt die

Pumpzelle und/oder die Nernstzelle mit einem Spannungs- oder Stromimpuls im regulären Betrieb der Breitband-Lambdasonde beaufschlagt oder es wird in dem ersten Verfahrensschritt der reguläre Betrieb der Breitband-Lambdasonde unterbrochen und in einem Diagnosezyklus die Pumpzelle und/oder die Nernstzelle mit einem gestellten Spannungs- oder Stromimpuls beaufschlagt. Die Diagnose der Breitband-Lambdasonde kann so auch während des laufenden Betriebs erfolgen, so dass eine Alterung festgestellt werden kann und eine Auswirkung der Polarisation bei der Bestimmung des Lambdawerts des Abgases berücksichtigt werden kann. Die Beaufschlagung mit dem Stromimpuls kann auch durch Vorgabe eines definierten, gestellten Pulses, wie er beispielhaft für eine Bestimmung einer Sprungantwort geeignet ist, erfolgen.

Wird in dem ersten Verfahrensschritt die Nernstzelle mit einem unidirektionalen Strompuls zum Stellen des Referenzpumpstroms oder zur Bestimmung des

Innenwiderstands bestromt und wird in dem zweiten Verfahrensschritt zu

vorgegebenen Zeiten nach dem unidirektionalen Strompuls die Spannung an der Nernstzelle oder eine mit der Polarisation in Zusammenhang stehende Größe bestimmt und als Maß für die Polarisation der Nernstzelle verwendet, kann während eines normalen Betriebs der Breitband-Lambdasonde die Polarisation der Nernstzelle bestimmt werden. Die Messung zur Charakterisierung der Polarisation erfolgt dabei zu vorbestimmten Zeiten relativ zum Strompuls vor und nach dem Strompuls. Die

Bewertung der Polarisation in der zweiten Phase kann auch über den auf die

Nernstspannung reagierenden Pumpstromregler unter Berücksichtigung von dessen Auslegung und des in ihm verwendeten Rechenalgorithmus erfolgen.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Bestimmung der Polarisation der Pumpzelle sieht vor, dass in dem ersten Verfahrensschritt die Pumpzelle mit einem Pulspaar aus einem Stromimpuls und einem Gegenpuls beaufschlagt wird und dass in dem zweiten Verfahrensschritt die Spannung an der Pumpzelle zu vorgegebenen Zeiten vor und/oder nach dem Stromimpuls und dem Gegenpuls bestimmt wird und als Maß für die Polarisation der Pumpzelle verwendet wird. Hierbei kann die Höhe der Strompulse einstellbar sein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem ersten Verfahrensschritt die Pumpzelle mit einem Puls und einem Gegenpuls bestromt, in einem zweiten Verfahrensschritt wird in jeweils einer Pulspause zu einem

vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Puls eine erste Spannung über die Pumpzelle und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Gegenpuls eine zweite Spannung über die Pumpzelle gemessen und die Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung wird als Maß für die Polarisation der Pumpzelle verwendet. In der praktischen Ausgestaltung wird bei einem stabilen Lambdawert in einem ersten Messzyklus, nach einem Stromimpuls, wie er im eingeregelten Betrieb verwendet wird, die Spannung Up01 an der unbestromten Pumpzelle bestimmt. In einem zweiten Messzyklus, nach einem vorgegebenen und damit bekannten Stromimpuls, wie er beispielhaft bei Fettgas verwendet wird, wird die Spannung Up02 an der unbestromten Pumpzelle bestimmt. Die Differenz der Spannungswerte Up01 -Up02 ist ein Maß für die Polarisation der Breitband-Lambdasonde. Ist die Differenz klein, wird die Pumpzelle als schwach polarisiert eingestuft, ist die Differenz der Spannungswerte hoch, wird sie als stark polarisiert eingestuft. Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass in dem zweiten Verfahrensschritt die Spannungswerte an der Pumpzelle zu mehreren vorgegebenen Zeiten während und nach dem jeweiligen Stromimpuls bestimmt werden und dass der Verlauf der Spannungswerte oder der Verlauf einer mit der Polarisation zusammenhängenden Größe unter Berücksichtigung der Betriebsparameter der Breitband-Lambdasonde und/oder von Abgasparametern als Maß für die Polarisation der Pumpzelle verwendet wird. Hierdurch ist eine Charakterisierung einer Sprungantwort auf die Bestromung der Pumpzelle möglich, deren Spannungsverlauf die Information über die Polarisierbarkeit der Pumpzelle liefert. Zur Bewertung der Polarisierbarkeit wird zusätzlich die

Temperatur der Lambdasonde sowie die Zusammensetzung des Abgases

herangezogen.

Eine Erkennung von Abgassonden mit einem durch Alterung über das zulässige Maß angestiegenen Bedarf an Polarisierungsspannung kann verwirklicht werden, indem die Polarisation der Breitband-Lambdasonde bestimmt und mit einem vorgegebenen

Grenzwert verglichen wird und indem eine Breitband-Lambdasonde als fehlerhaft eingestuft wird, wenn die Polarisation über dem Grenzwert liegt.

Zur Dämpfung von Hochfrequenzstörungen und Hochspannungseinträgen sind an den Signal-Leitungen der Breitband-Lambdasonde Entstör-Kapazitäten vorgesehen. Wird der Pumpstrom einer Pumpzelle gepulst und nicht analog zeit- und wertekontinuierlich eingestellt, fließt durch die Pumpzelle zusätzlich ein Strom, der die Entstör-Kapazitäten und weitere massebezogene Kapazitäten umlädt. Dieser Umladestrom muss bei der Bestimmung des tatsächlichen Pumpstroms berücksichtigt werden. Die erforderliche Korrektur ist jedoch vom augenblicklichen Lambdawert des Abgases, dessen

Temperatur und von der Polarisation der Pumpzelle abhängig. Insbesondere im Betriebspunkt Lambda = 1 , bei dem idealerweise kein Pumpstrom fließt, wirken sich Fehlströme durch die Umladung der Kapazitäten besonders gravierend aus. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Polarisation der Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde bestimmt und wenn eine Umladekorrektur mit der Polarisation korrigiert wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Zeitdiagramm eines Pumpstroms einer Breitbandlambdasonde, Figur 2 ein Zeitdiagramm der Spannung an einer Pumpzelle einer Breitband- Lambdasonde.

Figur 1 zeigt in einem Pumpstromdiagramm 10 auf einer Stromachse 1 1 entlang einer ersten Zeitachse 18 einen zeitlichen Stromverlauf durch eine Pumpzelle einer

Zweizellen-Breitband-Lambdasonde. Nach einem ersten Strompuls 12 beginnt eine Periode 14 des zeitlichen Stromverlaufs, die mit einem dritten Strompuls 17 endet. An den ersten Strompuls 12 schließt sich eine Pulspause 13 an, an die ein zweiter Strompuls 15 anschließt, der eine entgegengesetzte Polarität wie der dritte Strompuls 17 hat. Ein Pulsbeginn 16 des dritten Strompulses 17 ist zeitlich variabel einstellbar und bestimmt das Tastverhältnis während der Periode 14. Über den Pulsbeginn 16 wird der Gesamt-Pumpstrom durch die Pumpzelle während der Periode 14 gestellt oder unter Berücksichtigung der Nernstspannung einer Nernstzelle der Breitband- Lambdasonde geregelt. Der Gesamt-Pumpstrom kann zusätzlich durch die Höhe der Strompulse 12, 15 und 17 eingestellt werden. Die Strompulse 12, 15 und 17 stellen erfindungsgemäß die Anregung der Pumpzelle für die Bestimmung von deren

Polarisation dar.

Figur 2 zeigt in einem Spannungsdiagramm 20 die Spannung an der Pumpzelle der Breitband-Lambdasonde auf einer Spannungsachse 21 entlang einer zweiten

Zeitachse 30 während einer pulsformigen Bestromung. In einer ersten Phase 31 , einer dritten Phase 33 und einer fünften Phase 35 erfolgt die Spannungsmessung ohne Bestromung. In einer zweiten Phase 32 wird die Spannung während eines positiven Strompulses, in einer vierten Phase 34 während eines negativen Strompulses gemessen. An einer schwach polarisierten Pumpzelle ergibt sich ein erster

Spannungsverlauf 24, an einer stark polarisierten Pumpzelle ein zweiter Spannungsverlauf 25. Charakteristisch für den ersten Spannungsverlauf 24 ist, dass eine erste Spannungsdifferenz 28 der Spannungen zu Beginn der unbestromten dritten Phase 33 und zu Beginn der ebenfalls unbestromten fünften Phase 35 aufgrund der jeweils davorliegenden bestromten zweiten Phase 32 und der vierten Phase 34 auftritt, die die

Polarisierung der Pumpzelle kennzeichnet. Im Falle einer stärker polarisierten

Pumpzelle mit dem zweiten Spannungsverlauf 25 ergibt sich eine zweite Spannungsdifferenz 29 zwischen den Spannungen zu Beginn der unbestromten dritten Phase 33 und zu Beginn der ebenfalls unbestromten fünften Phase 35, wobei die zweite

Spannungsdifferenz 29 größer als die ersten Spannungsdifferenz 28 ist. Die Bewertung der Spannungsdifferenzen 28, 29 kann, bei Vergleich mit einem vorgegebenen Grenzwert, dazu dienen, die Alterung von Breitband-Lambdasonden zu bewerten und gegebenenfalls eine Sonde als fehlerhaft einzustufen. Zum Ende der bestromten zweiten und vierten Phasen 32, 34 stellen sich eine Spannung nach dem ersten Strompuls 22 und eine Spannung nach dem zweiten Strompuls 26 ein, deren Höhe von der Polarisierung der Pumpzelle abhängen. Die Bewertung des gesamten Spannungsverlaufs 24, 25 über bestromte und unbestromte Phasen 31 , 32, 33, 34 und 35 kann ebenfalls zu einer Bewertung der Polarisation herangezogen werden.

Bei einer pulsförmigen Bestromung müssen massebezogene Kapazitäten an der Breitband-Lambdasonde, wie sie beispielhaft zur Dämpfung von Hochfrequenzstörungen und Hochspannungseinträgen an den Signal-Leitungen der Breitband- Lambdasonde als Entstör-Kapazitäten vorgesehen sind, berücksichtigt werden. Die hierdurch auftretenden so genannten Umladefehler müssen in einer Umladekorrektur zur Bestimmung des korrekten mittleren Pumpstroms berücksichtigt werden. Der Umladefehler ist vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine über die Abgaszusammensetzung, von der Temperatur des Abgases und der Breitband- Lambdasonde sowie von der Polarisationsspannung an der Pumpzelle abhängig. Durch die erfindungsgemäß verbesserte Bestimmung der Polarisation der Pumpzelle kann somit auch die Umladekorrektur verbessert werden.